中國工程院院士、四川大學校長謝和平我國CO2減排應向CCU發(fā)展

本刊記者/陳道隆 劉榮

2012年7月版的《四川大學學報》上刊登了中國工程院院士、四川大學校長謝和平的最新研究成果，在這篇名為《全球二氧化碳減排不應是CCS，應是CCU》的文章中，謝和平認為與其將二氧化碳封存起來，不如實現(xiàn)高效利用。

那么，在CCS（碳捕獲與封存）和CCUS（碳捕獲，利用與封存）技術備受矚目的背景下，謝和平提出的CCU（碳捕獲與利用）技術會給我國二氧化碳減排技術研究帶來哪些啟發(fā)？

記者：說到二氧化碳的處理技術，無論是CCS技術還是CCUS技術，現(xiàn)在都是人們議論的焦點。而您卻說CCU技術才是二氧化碳減排未來的發(fā)展方向，您這么說的理由是什么？

謝和平：我國是世界上主要的能源消費國，也是主要的煤炭消費國，二氧化碳排放量巨大，因此我國政府密切關注著CCS技術的發(fā)展動向。不過CCS對二氧化碳的捕獲與封存是一種純投入的環(huán)保技術，不帶來直接經(jīng)濟效益，其持續(xù)性必將受到影響。所以越來越多的人開始思考是否能在捕獲二氧化碳之后，對其進行有效利用。為此，我國提出了CCS向CCUS方向轉變的思路，很快得到國際同仁認可。

但從目前CCS和CCUS的全球發(fā)展情況看，即使是運行最好的CCUS項目，二氧化碳利用所帶來的經(jīng)濟效益也非常有限，遠遠覆蓋不了高額的項目投資成本。CCUS技術如果沒有出現(xiàn)重大技術創(chuàng)新和應用領域的重大突破，如果沒有實現(xiàn)成本效益的顯著提高，任何國家都難以做到僅靠政府財政投入來支撐大規(guī)模推廣應用。更何況對于我國這樣的發(fā)展中國家而言，首要任務是解決貧困和確保發(fā)展，如果單純?yōu)榱丝刂贫趸嫉呐欧牛~外增加碳排放企業(yè)的能源消耗和投資運營成本，顯然不合情理。因此，從目前CCUS技術水平的經(jīng)濟性來看，我國制定鼓勵大規(guī)模推廣CCUS產業(yè)政策還遠未到合適時機。

同時，根據(jù)全球CCS研究院（GlobalCCS Institute，GCCSI）的調查，全球73個上規(guī)模的CCS項目中，正在運行和建設之中的項目僅有15個，其余58個項目仍處于前期規(guī)劃和設計階段，且多數(shù)項目屬于油氣田強化開采項目，即二氧化碳驅油（CCS+EOR）項目，涉及到電廠捕集的項目只占少數(shù)比例。目前二氧化碳捕集、凈化、運輸和封存各單項環(huán)節(jié)都有示范運行項目，但除了在油氣田驅油項目之外，尚無一體化、商業(yè)化經(jīng)營的項目，全球范圍內也沒有成熟的商業(yè)模式和運營經(jīng)驗推廣。更重要的是，涉及CCUS有關的立法、融資、公眾接受、社會安全與責任、監(jiān)管等一系列政策法規(guī)體系的建設還需要相當長的時間進行研究。這套政策法規(guī)體系是否完備是大規(guī)模發(fā)展CCS的先決條件，但我國目前顯然還不具備這個條件。

其次，盡管對于CCS項目而言，投入大、能耗高、無效益、激勵政策不明朗、社會認知度不高等問題都能隨時間推移被淡化，但地質存儲爭議卻是阻礙CCS技術發(fā)展的致命“硬傷”。因為若要封存二氧化碳，則必須將其注入到超過1000米深的地層，如此一來，二氧化碳便會與地層中的巖石、地下水發(fā)生物理化學變化，影響地質結構的長期穩(wěn)定，造成地表變形，甚至誘發(fā)地震。

這并不是人們的臆想，在國際能源署的資料中都有相關事件記載。1986年喀麥隆地震導致120萬噸二氧化碳從尼奧斯湖中泄露出來，造成1700人死亡；阿爾及利亞Salah項目的二氧化碳封存工程現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，每年地表的拱起程度達到了5毫米；美國科羅拉多州的Rangely油田現(xiàn)場測試表明，將液體注入多孔介質中能夠誘發(fā)微地震活動，而德克薩斯州的油田高壓注射鉆井附近則頻繁發(fā)生微地震現(xiàn)象。

這些問題的暴露，讓人們越來越難以預料二氧化碳地質封存可能存在的風險，也使CCS前景堪憂。過去一年中，德國在CCS立法問題的討論上出現(xiàn)了各種爭議和分歧，而全球已有5個規(guī)劃中的CCS項目宣告退出。有樂觀人士認為我國具有很大的封存能力，可實際上二氧化碳封存有太多未知問題，其不確定性和潛在的風險遠遠超出人們的想象，再加上我國地質結構十分復雜，CCS地質封存可能會遇到比其他國家更加難以想象的困難。

目前也有人寄希望于二氧化碳驅油（即將二氧化碳注入油層以提高采油率），認為這是目前最好的二氧化碳埋存方法，但驅油和封存有著本質區(qū)別—驅油對二氧化碳的封存作用時間最長不超過40年，而CCS封存的時間跨度卻達到了幾百年甚至幾千年；驅油項目所用的二氧化碳約2/3還會回到地表，而封存項目則要將二氧化碳永久封存于地下。因此，二氧化碳驅油只是短期內開展CCUS項目的權宜之計，而不能作為長久之選。

第三，如果在一定時期內，CCS的技術經(jīng)濟性難有重大突破，必將面臨與可再生能源或其他低碳減排技術的激烈競爭，勢必會影響投資者對CCS的投資決策。同時，CCS項目投資大、回報小的現(xiàn)實也會使其受到碳排放企業(yè)的消極抵觸，最終制約其發(fā)展。

很多國際組織和國家政策制定者認為：公眾的認同是大規(guī)模推行二氧化碳封存面臨的主要挑戰(zhàn)。但據(jù)調查顯示，普通公眾對二氧化碳封存可能引發(fā)的風險（如水土污染、地震等）并不了解，僅有3%～6%的公眾表示了對二氧化碳地質封存風險的擔憂。與此同時，專家們也指出由于所掌握的實際數(shù)據(jù)非常有限，很難準確地說明風險嚴重性。因此，如果沒有足夠詳實的CCS項目經(jīng)驗數(shù)據(jù)，沒有嚴密的公眾咨詢過程，要獲得民眾對規(guī)劃項目的認同是非常困難的。

鑒于目前CCS，尤其是二氧化碳地質封存在政策、技術、社會認知和接受程度上的障礙和制約，我們才提出了全球二氧化碳減排不應是CCS，而應是CCU的發(fā)展新理念，即應將二氧化碳作為一種資源充分開發(fā)利用。

記者：與CCS、CCUS相比，CCU的優(yōu)勢是什么？它如何實現(xiàn)二氧化碳的高效利用？

謝和平：CCU技術是我國在二氧化碳大規(guī)模利用技術研究上取得的創(chuàng)新和突破，它避開了二氧化碳地質封存的各種風險和不確定性，從而保證了二氧化碳末端減排技術的經(jīng)濟性、安全性、穩(wěn)定性和持續(xù)性，不僅適合我國國情，也是實際可行的大規(guī)模減排并開發(fā)利用二氧化碳的有效辦法。

實際上，利用二氧化碳生產高分子聚合物等化工產品，或將其轉化為甲醇、石油等能源產品，以及利用地球上廣泛存在的橄欖石、蛇紋石等堿土金屬氧化物實現(xiàn)二氧化碳礦化早已被人們熟知。但這些方式消耗的二氧化碳量少，減排效果不明顯，且成本高，因此大規(guī)模應用的可能性較小。但眾所周知，天然礦物或工業(yè)廢料中蘊含著豐富的鎂、鉀、硫、鈦等人類所需的資源，若能通過二氧化碳礦化分離出這些資源，不失為一條兩全其美的利用二氧化碳的有效途徑。于是，經(jīng)過我們研究小組的攻關，利用天然礦物和固廢資源大規(guī)模礦化二氧化碳的CCU技術就此誕生。該技術將二氧化碳作為一種資源，在低能耗、低成本條件下，利用二氧化碳礦化，轉化聯(lián)產高附加值化工產品，真正實現(xiàn)了二氧化碳的高效利用。

記者：大規(guī)模推行CCU技術需要滿足哪些條件？針對目前我國的實際情況，可以通過哪些方式實現(xiàn)CCU的應用？

謝和平：要想CCU技術經(jīng)濟可行，并能大規(guī)模發(fā)展，首先要保證用來礦化利用二氧化碳的原料資源豐富、容易獲取，且價格低廉。結合這幾條因素，經(jīng)過綜合分析，我們的研究小組也為我國CCU技術的發(fā)展選擇了3條參考途徑。

首先，可以利用氯化鎂礦化二氧化碳聯(lián)產鹽酸和碳酸鎂。氯化鎂是海水、鹽湖中鎂的主要形式，我國海域中鎂離子含量達到0.13%，四大鹽湖區(qū)鎂鹽儲量達數(shù)十億噸，可以說氯化鎂來源非常豐富。我們的實驗結果表明，10噸六水合氯化鎂就能礦化1.5噸二氧化碳，約產出5噸36%的鹽酸和2.9噸的碳酸鎂。其中鹽酸是重要的化工原料，而碳酸鎂則可作為耐火材料、鍋爐和管道的保溫材料，以及食品、藥品、化妝品等的添加劑。這一路線具有較好的應用前景和利潤空間。

其次，可以利用磷石膏固廢礦化二氧化碳聯(lián)產硫基復合肥。磷石膏是濕法磷酸生產過程中產生的工業(yè)固廢，目前仍沒有切實可行的辦法處理這種廢料。據(jù)統(tǒng)計，我國每年約有5000萬噸的磷石膏產出量，已堆積的磷石膏固廢超過5億噸。如何處理這些無法利用的磷石膏固廢，現(xiàn)在已經(jīng)成為磷酸行業(yè)亟待解決的關鍵問題。我們通過實驗發(fā)現(xiàn)，每10噸磷石膏能夠礦化2.5噸二氧化碳，并且還能將磷石膏變廢為寶，轉化為化肥及建筑材料。可以說這是一條具有較好利潤空間和工業(yè)可行性的技術路線。目前我們已經(jīng)與中石化聯(lián)合成立了研究院，即將在四川達州進行中試和示范工程建設。

第三，除了上述兩條路線，我們還可以發(fā)掘其他可能的二氧化碳礦化利用技術。自然界中的很多礦物都可以轉化為高附加值的化工產品。例如，鉀長石中含有豐富的鉀元素，且儲量巨大，而利用鉀長石礦化二氧化碳，不僅可以實現(xiàn)二氧化碳減排，同時還能提取出稀缺的鉀元素聯(lián)產鉀肥；而利用鈣鈦礦中的鈣離子礦化二氧化碳，能夠獲得高附加值的二氧化鈦。目前我們的研究小組也在對鉀長石或鈣鈦礦礦化二氧化碳技術進行進一步探索。

隨著二氧化碳礦化技術和礦物活化技術的發(fā)展，以及新的礦化路徑的提出，基于二氧化碳礦化利用的CCU技術完全可能成為減排二氧化碳的有效辦法，并實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)應用。

記者：如此說來，CCU技術的應用真的令人期待，但也不能操之過急。那么在您看來怎樣才能使CCU技術在我國得到良性發(fā)展？

謝和平：當然，所有事情的發(fā)展都不是一蹴而就的，對于我國CCU技術的發(fā)展來說，同樣也需要制定合理的發(fā)展計劃，分階段實施。

第一階段的重點一方面是要搭建國家產學研科技示范平臺，組織科技攻關，對主要的大規(guī)模二氧化碳礦化技術路線進行規(guī)模化實驗，提出有關的技術經(jīng)濟參數(shù)，并對工程項目進行商業(yè)化可行性論證研究。另一方面，還要對我國氯化鎂和石膏等二氧化碳礦化資源的分布、數(shù)量、品質等情況進行調查，對高純度二氧化碳排放源進行資源分布和資源量的研究，全面掌握我國礦化資源與二氧化碳資源的種類、品質以及地域分布特點。

第二階段的任務主要是組建二氧化碳礦化產業(yè)聯(lián)盟開展技術集成與示范工程，組織跨產業(yè)部門的技術集成與工業(yè)化CCU技術試驗與示范工程。我們可以先對精細化工、煤化工以及二氧化碳天然氣開發(fā)過程中產生的較高純度二氧化碳實施二氧化碳礦化工程，再逐步進行二氧化碳礦化工業(yè)示范和商業(yè)模式的探討。

第三階段就可以全面實施工業(yè)化的二氧化碳礦化CCU路線，捕獲燃煤電廠的二氧化碳，進行工業(yè)化的二氧化碳礦化及利用開發(fā)，打造CCU產業(yè)鏈。同時，根據(jù)我國二氧化碳排放源和二氧化碳礦化資源總體分布的特征，進一步規(guī)劃我國CCU發(fā)展戰(zhàn)略的整體布局，逐步推廣大規(guī)模二氧化碳礦化的末端減排技術。

盡管我們提出的CCU技術（即將二氧化碳作為資源來利用）是我國乃至全球二氧化碳減排發(fā)展的方向和重點，但這其中還有很多關鍵技術難題等待科學家們去破解。目前我們課題組正在探索工業(yè)二氧化碳煙氣直接礦化利用的新技術和新方法，即由CCU直接為CU，不需要經(jīng)過二氧化碳捕獲、分離、提純的過程，更好地實現(xiàn)將二氧化碳作為資源高效轉化利用并大規(guī)模工業(yè)化應用。